Fonte de subsuperfície

Na superfície, uma fonte de potência CA convencional, neste trabalho representado por um inversor de frequência, fornece energia através do cabo trifásico às bobinas do motor, na subsuperfície. Em paralelo com o motor, mas na superfíce, um conjunto de indutores trifásicos, balanceados e conectados em estrela com neutro não aterrado recebe, também, energia do inversor de frequência, conforme indicado na Figura 2.13. Esses indutores, que serão destacados também no tópico Acoplamento superfície, estão conec- tados com uma configuração idêntica a dos enrolamentos do motor. Essa particularidade assegura que os pontos de neutro do conjunto de bobinas na superfície e do motor são mantidos no mesmo potencial relativo, como descrito na seção 2.2.5.

CAPÍTULO 3. METODOLOGIA E VIABILIDADE 36

Figura 3.3: Diagrama de blocos do sistema proposto. Fonte: autoria própria.

Baseado na teoria acima descrita, portanto, uma fonte de tensão de 75 VCClocalizada

no módulo de superfície fornece energia para os componentes eletrônicos do sensor de fundo. Essa tensão contínua é injetada na extremidade superior do cabo de alimentação através do neutro de um conjunto de bobinas trifásica conectadas em estrela e chega ao neutro do motor, no fundo do poço. Conectado ao neutro do motor está o circuito res- ponsável por adequar, por meio de reguladores de tensão, e fornecer os níveis de tensão de 5 V e 15 V necessários aos módulos eletrônicos de subsuperfície. Tal operação per- mite caracterizar o circuito como sendo uma fonte de subsuperfície, nomenclatura que será adotada, a partir de então, neste trabalho. As Figuras 3.4 e 3.5 destacam o esquema elétrico do circuito da fonte e a placa gerada a partir deste esquema.

Por medidas de proteção, o circuito fonte está conectado ao neutro do motor através de um grande indutor, que pode chegar ao valor de 140 H [Smith 1996]. Portanto, a corrente alternada que flui da superfície através do cabo BCS e do motor é filtrada por esse indutor, de forma que os sinais de dados possam ser transmitidos sem sofrer interferência da cor- rente alternada. No caso da estrutura BCS de bancada, essa indutância está representada por três indutores em série com uma indutância equivalente de Leq= 53, 4mH.

CAPÍTULO 3. METODOLOGIA E VIABILIDADE 37

Figura 3.4: Diagrama do circuito da fonte de subsuperfície. Fonte: autoria própria.

Figura 3.5: Fonte de subsuperfície. Fonte: autoria própria.

3.2.2

Circuito transmissor

O circuito de aquisição e transmissão de dados é responsável por realizar as leituras dos sensores instalados nos equipamentos de subsuperfície do método BCS, processá-los e enviá-los ao módulo receptor, na superfície. A Figura 3.3, na região do fundo do poço, apresenta um diagrama de blocos ilustrando como o circuito transmissor está associado aos demais componentes.

O microcontrolador PIC 18F4550 da MicrochipT M foi escolhido por possuir requi- sitos técnicos que se adequavam à aplicação, dentre eles estão a compatibilidade com o protocolo de comunicação SPI, quantidade de entrada analógicas e digitais e baixo custo. Durante a operação de um poço equipado com BCS com sensor de fundo instalado,

CAPÍTULO 3. METODOLOGIA E VIABILIDADE 38

basicamente quatro variáveis são monitoradas: pressão de sucção da bomba, temperatura do fluido na sucção da bomba, temperatura do motor e pressão na descarga da bomba [Costa 2012]. Entretanto, informações de vibração no eixo X e Y do sistema motor/bomba e de contaminação do óleo isolante do motor, representada por um sinal digital, serão consideradas no BCS de bancada e, portanto, somadas ao conjunto de variáveis que já são enviadas à superfície. Para fins de praticidade, ao invés de se utilizar os sensores referentes às variáveis citadas, são utilizados potenciômetros para a geração dos sinais analógicos que serão enviados à superfície. Quanto ao sinal de contaminação, uma chave liga-desliga representa o que seria a contaminação do óleo isolante do motor.

O processo de aquisição e codificação se inicia quando os sinais analógicos com as informações das variáveis mensuradas, com exceção do sensor de contaminação, chegam ao conversor analógico-digital do microcontrolador. Esse conversor possui uma resolução de 10 bits, e os dados por ele gerados ficam armazenados na memória RAM interna e externa, sendo esta para os sinais de vibração. O sinal de contaminação, por sua vez, é enviado para uma entrada digital indicando se há ou não a contaminação do óleo isolante.

O protocolo de comunicação

A topologia física do sistema de telemetria proposto é do tipo ponto a ponto, de forma que o dispositivo emissor se comunica somente com o receptor. O meio físico é o próprio cabo trifásico de alimentação do motor e a transmissão dos dados é unidirecional (ou simplex), de forma que somente o dispositivo emissor envia os dados e só o receptor os recebem.

Para interpretar corretamente os sinais recebidos do emissor, os intervalos de bits do receptor devem corresponder exatamente aos intervalos de bits do emissor. No entanto, para evitar possíveis erros de interpretação dos sinais por causa do clock, optou-se por utilizar um sinal auto-sincronizado, que inclui informações de sincronismo nos dados. Essa característica é obtida a partir de transições no sinal que avisem o receptor sobre o início, meio ou fim do quadro. Outro fator relevante na comunicação digital são as componentes CC [Forouzan 2008], isto é, se os dados possuírem uma sequência longa de zeros e uns a potência média do sinal se torna distorcida. Desse modo, o receptor pode ter problemas na hora de distinguir o que bit zero ou bit um.

Dentre os métodos de codificação de linha, os polares (NRZ, RZ e os bifásicos Man- chester e Manchester diferencial), possuem caraterísticas que atendem às necessidades impostas pelo cenário encontrado no sistema BCS. A codificação Manchester por atribu- tos ou melhorias em relação ao NRZ e RZ e ser semelhante ao Manchester diferencial,

CAPÍTULO 3. METODOLOGIA E VIABILIDADE 39

foi adotado na implementação do protocolo. A transição no meio do bit fornece o sin- cronismo. Portanto, determinou-se que a transição de subida representaria o bit 1 e a de descida o bit 0. A Figura 3.6 ilutra o comportamento de uma sequência de bits enviada pelo método Manchester. Observa-se na Figura 3.6 que cada bit tem uma contribuição positiva e negativa em termos de voltagem, eliminando as componentes CC. No entanto, esse método possui um inconveniente que é a taxa de sinal, ou seja, precisa-se de dois elementos de sinal para se transportar um elemento de dado. Comparada aos benefícios obtidos com a codificação Manchester, essa limitação não compromete o desempenho do protocolo.

Figura 3.6: Codificação Manchester. Fonte: [Forouzan 2018].

Para o encapsulamento dos dados foram propostos dois tipos de quadro: um para os dois sensores de temperatura, os dois de pressão e o de contaminação, aqui tratado como "sensores regulares", e um para os sensores de vibração. No caso dos sensores regulares, o tamanho do quadro é variável e depende do número de instrumentos cujas leituras serão enviadas. Esse tamanho vai de 41 bits, no caso de envio dos dados de um único sensor, a 117 bits considerando os cinco sensores. A Figura 3.7 mostra como os campos estão organizados no quadro encapsula os dados.

Figura 3.7: Estrutura do quadro para variáveis pressão, temperatura e contaminação. Fonte: autoria própria.

Além dos campos referentes aos valores das variáveis o quadro possui os seguintes campos de controle:

startBit: 1 bit que sinaliza o início do quadro.

varCount: 3 bits que indica a quantidade de variáveis será enviada.

CAPÍTULO 3. METODOLOGIA E VIABILIDADE 40

CRC: 16 bits que indica o valor do CRC (cyclic redundancy check - verificação de redundância cíclica), utilizado na detecção de erros de transmissão.

stoptBit: 2 bits que sinalizam o final de transmissão do quadro.

Ainda sobre o campo data, as Figuras 3.8(a) e 3.8(b) indicam o seu formato para o envio de uma e duas variáveis, respectivamente. Na primeira é apresentado o campo data para um sensor, sendo os 3 primeiros bits para identificar o sensor e 16 bits para armazenar o valor lido dele. Na seguinte, é considerada a leitura de dois sensores. Neste caso, serão 19 bits referentes ao primeiro sensor e outros 19 ao segundo, sendo ambos arrajados com o campo de identificação seguido do campo do valor lido. Essas disposição se mantém até o caso de envio de cinco sensores, que é o número atual de sensores contemplados na pesquisa. No entanto, por possuir 3 bits para identificação, a quantidade de variáveis monitoradas pode chegar a oito.

(a) Organização do campo de dados para envio de valores de um sensor regular.

(b) Organização do campo de dados para envio de valores de dois sensores regular.

Figura 3.8: Organização do campo de dados para sensores regulares. Fonte: autoria própria.

Em se tratando dos dados originários dos acelerômetros, o formato do quadro sofre uma modificação de modo a se adequar ao conteúdo da informação que será enviada. O quadro passa a ter um tamanho fixo de 69 bits, pois considera-se que sempre são envi- ados, simultaneamente, os sinais referentes às vibrações tanto no eixo X quanto no Y. Os campos de controle do quadro dos sensores regulares também se faz presente nesse novo quadro, diferenciado-se daquele apenas pela quantidade de bits do campo data. A estrutura do quadro está explicitada na Figura 3.9.

Figura 3.9: Estrutura do quadro para variáveis de vibração. Fonte: autoria própria

Onde,

startBit: 1 bit que sinaliza o início do quadro.

CAPÍTULO 3. METODOLOGIA E VIABILIDADE 41

data: está dividido em campos menores e possui um tamanho fixado em 47 bits, dos quais 3 bits definem o sensor, 12 bits identificam o pacote e os 32 bits restantes armazenam os valores lidos, sendo 16 para cada coordenada.

CRC: 16 bits que indica o valor do CRC (cyclic redundancy check - verificação de redundância cíclica), utilizado na detecção de erros de transmissão.

stoptBit: 2 bits que sinalizam o final de transmissão do quadro.

O campo data do quadro para envio dos sinais de vibração foi assim estruturado pois, considera-se que a leitura de 4 mil pontos em 1 segundo, para cada coordenada. Como o microcontrolador não possui memória suficiente para enviar esse volume de uma única vez, optou-se por fragmentar esses dados, de tal forma que a cada pacote enviado, seja transportado parte dessa informação. Para garantir que esse volume de dados seja ar- mazenado corretamente na superfície cada fragmento enviado deve estar devidamente identificado, neste caso, com 12 bits. A Figura 3.10 expõe o campo descrito.

Figura 3.10: Organização do campo de dados para envio de valores de vibração. Fonte: autoria própria

Informações do sensor de fundo - BCS

Os módulos de fundo utilizados nas instalações se caracterizam pela quantidade, tipo e range dos sensores instalados no fundo do poço. Assim, se faz necessário identificar a qual categoria um determinado sensor de fundo pertence. Ademais, é necessário identi- ficar esse sensor de forma que cada um tenha um número de série único, possibilitando rastreá-lo através de informações como localização, categoria a qual pertence, tempo de operação, etc. A identificação é composta por uma sequência de 16 bits, sendo 4 para especificar a família e 12 o número de série (id) do sensor. Com esse número de bits é possível adotar o mesmo formato de quadro utilizado no envio de dados de temperatura, pressão e contaminação.

Portanto, quando inicializado, a primeira ação do microcontrador é transmitir ao re- ceptor essas informações, para então iniciar o processo de aquisição de dados dos sen- sores. Como não há comunicação bidirecional entre os módulos de comunicação, o que

CAPÍTULO 3. METODOLOGIA E VIABILIDADE 42

permitiria uma requisição em caso de erro no pacote recebido, essas informações são enviadas duas vezes seguidas no início e em período de tempo determinados.

Aquisição e processamento das variáveis pressão, temperatura e con-

taminação

Finalizado o envio das informações de identificação do sensor de fundo ao micro- controlador se dá início o processo de aquisição dos dados. Os sinais analógicos gerados pelo sensores de temperatura e pressão passam pelo conversor AD de 10 bits de forma que possa ser tratado e processado digitalmente. Por se tratar de uma operação relativamente rápida, comparada à dinâmica do BCS, o fato do módulo emissor está localizado em um ambiente sujeito a ruídos, vibrações e elevadas temperaturas, optou-se por realizar, para cada variável, várias leituras e calcular a média. A número de leituras foi definida pela quantidade de bits não utilizados após a conversão A/D. Ou seja, os 10 bits resultantes da conversão A/D são armazenados em uma variável de 16 bits, restando portanto, 6 bits "li- vres", o que possibilita o somatório de 64 leituras daquele sensor. Ao final, esse somatório é dividido por 64 para se obter uma média referente a 10 bits.

Buscando uma maior precisão foi implementado via software um filtro, realizado atra- vés da média móvel com dez valores. Essa média tem por objetivo suavizar os valores lidos, eliminando os ruídos representados pelas oscilações mais intensas. Cada valor que irá compor o vetor para o cálculo dessa média é resultante da média aritmética calculada anteriormente. Ao final do cálculo da média móvel, o valor resultante é armazenado em um determinada posição do vetor auxiliar denominado "vetor de dados". Quando total- mente preenchido, o seu conteúdo é copiado para o campo data que juntamente com os campos de controle compõe vetor que transportará os dados à superfície. As etapas de aquisição e processamento estão representadas na Figura 3.11.

Aquisição e processamento da variável vibração

O processo de coleta e tratamento dos dados dos acelerômetros decorre de igual ma- neira que os dados de temperatura e pressão, exceto pela velocidade de aquisição e volume de dados. Para diagnóstico do comportamento de vibração do motor foram instalados dois acelerômetros na sua estrutura, um para o eixo X e outro para o Y. De cada um desses transdutores foram coletados quatro mil pontos no intervalo de um segundo. O conver- sor A/D do microcontrolador foi configurado de tal forma que as leituras desses sensores ocorressem alternadamente, isto é, leitura do eixo X seguinda pela do eixo Y, dando uma

CAPÍTULO 3. METODOLOGIA E VIABILIDADE 43

Figura 3.11: Etapas de montagem do quadro de dados. Fonte: autoria própria

sensação de paralelismo. Apesar do nome, o paralelismo não existe, de fato, uma vez que o microcontrolador possui apenas um conversor A/D. Entretanto, a leitura de cada entrada analógica é feita através de um chaveamento, cuja frequência é rápida o suficiente para que não haja perda de informação lida. O processo de conversão acaba somente quando atingido os 8 mil pontos.

Diante do volume de dados gerados pelos acelerômetros, o microcontrolador se tor- nou limitado em termos de memória RAM (3 KBytes). A solução veio através de uma memória RAM externa. O chip escolhido foi o 23K256 da MicrochipT M, com 256 Kbits (32 KBytes) de memória e comunicação serial, suficiente para a aplicação. A opção pela comunicação serial se deu em virtude da limitação de pinos do microcontrolador. No entanto, o tempo de escrita serial na memória poderia ser visto como um complicador no processo de aquisição dos dados de vibração. Essa possível limitação foi contornada com a utilização de um cristal de quartzo de 32 MHz, proporcionando, portanto, recursos para a configuração do conversor A/D e o processo de escrita dos oito mil pontos dentro de 1 segundo.

Os pontos das coordenadas X e Y foram armazenados na memória RAM de maneira que os 4 mil pontos referentes à coordenada X ocupassem as primeiras 8 mil posições (0000h a 1F3Fh) e os outros 4 mil referentes à Y, as 8 mil posições subsequentes (1F40h a 3E7Fh). A escrita na memória ocorre de forma sequencial e não em batelada, assim, após a leitura de um ponto X é feita a leitura de um ponto Y para então ocorrer a escrita.

CAPÍTULO 3. METODOLOGIA E VIABILIDADE 44

Esse processo se repete até se completar a leitura dos 8 mil pontos.

Concluído o armazenamento dos dados gerados pelo acelerômetros, inicia-se a etapa de tratamento dos dados para enviá-los ao receptor. O quadro do protocolo é montado com informações de um único par de coordenadas XY, sendo portanto necessária a mon- tagem de 4 mil quadros para o envio de uma leitura de 1 segundo da variavel vibração. Para garantir a remontagem na sequência correta ao chegar à superfície, cada um desses pacotes foi identificado por um conjunto de 12 bits (4096 identificadores).

A transmissão desses quadros, apesar de sequencial, será alternada com a dos quadros dos sensores convencionais. Ao final da transmissão de todos os pontos de aceleração à superfície, inicia-se um novo ciclo de aquisição e tratamento dos dados e todo processo se repete.

Componentes

Para o desenvolvimento do módulo transmissor, basicamente se utilizou um micro- controlador PIC 18F4550, que realiza a conversão A/D de 10 bits, processa os dados e os encapsulam, um transceptor MAX232 com interface DB-9 e um display 4 x 16 para mo- nitorar os valores lidos dos sensores. Outros componentes como capacitores e resistores diversos, botões e bornes formam o circuito do transmissor, que pode ser visto na Figura 3.12.

3.2.3

Acoplamento subsuperfície

A sequência de bits a ser enviada ao módulo de superfície é inserida no canal através do circuito de acoplamento conectado ao neutro do motor. Considerando que o compri- mento dos cabos para poços BCS em terra pode alcançar os 4000 m [Liang et al. 2017] [Liang et al. 2015] os dados serão enviados à superfície como sinal de corrente, pois diferentemente dos sinais de tensão, que sempre terão perda de sinal associado ao com- primento dos fio, o sinal de corrente não apresenta nenhuma perda nesse mesmo cenário, além de possuir uma baixa sensibilidade ao ruído elétrico e não ter sua precisão afetada pela queda de tensão em interconexões [Acromag n.d.]. Portanto, os sinais de tensão com amplitude de 5 VCC gerados pelo microcontrolador são convertidos em sinais de corrente

com mesma amplitude e frequência, e injetados no meio físico de forma serial e sem modulação a uma taxa de 5 bps.

A Figura 3.13 apresenta o esquema eletrônico do conversor tensão-corrente utilizado no sistema de telemetria.

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Figura 3.12: Protótipo do circuito transmissor. Fonte: autoria própria

Figura 3.13: Esquema elétrico do conversor tensão para corrente. Fonte: autoria própria

Sua operação ocorre da seguinte maneira: quando o microcontrolador emissor, que está conectado à entrada não-inversora do amplificador operacional (ampop), envia um bit, faz surgir nessa entrada um sinal (pulso) de tensão de 5 VCC. A borda de subida do

pulso causa uma variação positiva, que é amplificada, fazendo aparecer na saída uma ten- são Vo. Desse modo, a tensão sobre o resistor R4aumentaria proporcionalmente, fazendo

CAPÍTULO 3. METODOLOGIA E VIABILIDADE 46

com que a diferença de potencial (ddp) entre as entradas do ampop tendesse novamente a zero. No caso da borda de descida do pulso, ocorre o inverso.

Nesse circuito, o ampop U1atua como elemento acionador do transistor Q1, que está

montado na configuração de emissor comum. A amplificação de corrente ocorre em razão da corrente de saída do ampop excitar a base do transistor. Por precaução o resistor R2

foi colocado como forma de limitar a corrente de base de Q1. A corrente de emissor

(amplificada) é, portanto, a corrente de saída do circuito que será injetada no neutro do motor. A placa de circuito impresso do conversor tensão-corrente é exibida na Figura 3.14.

Figura 3.14: Placa eletrônica do conversor tensão para corrente. Fonte: autoria própria

3.2.4

Acoplamento superfície

A recepção dos dados na superfície fica na incubência do circuito de acoplamento, que pode ser dividido em duas etapas. A primeira delas é a de filtragem de sinais na frequência da fundamental (50/60 Hz) para se extrair sinal de corrente CC, que representa as informações dos parâmetros lidos. Na sequência, esse sinal CC passa pelo circuito conversor corrente-tensão, que fornece ao microcontrolador um sinal com a mesma am- plitude e frequência do sinal emitido pelo microcontrolador da sub-superfície. Os tópicos a seguir detalham cada uma dessas etapas.

Filtro de acoplamento - Choke

Conhecido também como "painel choke"(Figura 3.15), esse equipamento é formado por um conjunto de indutores (bobinas) trifásico conectado em estrela e desempenha,